Субсекундные спиновые и оптически ограниченные временем жизни когерентности в 171Yb3+:CaWO4

Почему важны долговременные квантовые состояния

Квантовые компьютеры и ультразащищённые коммуникационные сети обещают изменить способ обработки и передачи информации, но опираются на хрупкие квантовые состояния, которые обычно исчезают за доли секунды. В этом исследовании рассматривается новый твёрдый кристалл, способный служить носителем квантовых состояний с необычно длительным временем жизни и управляться с помощью света. Стабилизируя эти состояния на значительно более продолжительное время, работа делает важный шаг к практическим квантовым памяти, интерфейсам и датчикам.

Новый дом для хрупких квантовых битов

Авторы сосредоточились на кристалле вольфрамата кальция (CaWO4), легированном небольшим количеством итттербиевых ионов особого типа, известных как ¹⁷¹Yb³⁺. Каждый такой ион ведёт себя как крошечный квантовый магнит, в котором вклад в магнитные свойства вносят как электрон, так и ядро. Поскольку в кристалле содержится очень мало других магнитных атомов, окружение каждого иона итттербия необычно тихо. Низкий уровень фонового шума имеет решающее значение: он позволяет квантовым состояниям ионов сохраняться долго, вместо того чтобы быстро разрушаться из‑за случайных магнитных возмущений в твёрдом теле.

Исследование скрытой структуры светом и магнитами

Чтобы понять и управлять этими квантовыми состояниями, команда сначала скрупулёзно картировала расположение энергетических уровней ионов. Они охладили кристалл всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля и пропустили через него очень стабильный лазерный свет при аккуратно контролируемых магнитных полях. Измеряя поглощение света при небольших изменениях цвета и поляризации, исследователи определили, как взаимодействуют электронные и ядерные спины в нижних (основных) и верхних (возбуждённых) состояниях иона. Наблюдаемые пики поглощения были крайне узкими, что указывает на то, что ионы видят почти одинаковое окружение в кристалле — ключевое требование для точного оптического управления большими ансамблями ионов.

Создание длительных спиновых запоминающих состояний

Имея эту энергетическую диаграмму, исследователи использовали пары лазерных лучей для оптического управления спиновыми состояниями ионов, без привлечения микроволн. Они разработали последовательность световых импульсов, которая сначала переводит почти все ионы в одно выбранное спиновое состояние, а затем переключает их в особую пару состояний, известную как «часовая» (clock) переход. В такой конфигурации два состояния реагируют практически одинаково на внешние магнитные поля, поэтому флуктуации окружения мало влияют на энергетический разрыв между ними. Измерения спинового эха — где серия импульсов показывает, как долго спины остаются синхронизированными — показали, что коллективное спиновое состояние может сохранять когерентность около 0,15 секунды при нулевом магнитном поле, что является рекордным значением для подобных систем в этих условиях.

Свет, запоминающий почти до своего естественного предела

Команда также изучала, как долго сами оптические переходы остаются чётко определёнными. При помощи метода фотонного эха они послали два световых импульса и наблюдали тонкий эхо‑сигнал, который раскрывает, как быстро теряется оптическая фазовая информация. Было показано, что при аккуратной подготовке спиновой населённости, подавляющей разрушительные процессы обмена спинами, время оптической когерентности достигает примерно 0,75 миллисекунды — почти точно того, что предсказывается исходя из естественного времени жизни возбужденного состояния. Иными словами, главным ограничением перестаёт быть шум окружения, а становится базовый факт: возбужденный ион в конечном счёте испускает фотон и релаксирует. Это одно из лучших значений оптической когерентности, когда‑либо зарегистрированных для параметрического твёрдотельного излучателя.

К практическим квантовым устройствам

Эти результаты демонстрируют, что ¹⁷¹Yb³⁺ в CaWO4 объединяет несколько весьма желательных свойств: чётко разрешённые оптические линии, позволяющие селективное управление; спиновые состояния, которые можно инициализировать и манипулировать исключительно светом; и исключительно длинные времена жизни как спиновой, так и оптической когерентности, даже без применения сильного магнитного поля. Авторы предполагают, что снижение концентрации итттербиевых ионов или дальнейшая инженерия материала могли бы ещё больше продлить эти времена. Благодаря уникальному сочетанию свойств этот материал является сильным кандидатом для будущих квантовых технологий, включая световые квантовые памяти, устройства конверсии сигналов между микроволнами и оптикой и интерфейсы с отдельными ионами, связывающие стационарные квантовые биты с фотонами, путешествующими по оптическим сетям.

Цитирование: Tiranov, A., Green, E., Hermans, S. et al. Sub-second spin and lifetime-limited optical coherences in ¹⁷¹Yb³⁺:CaWO₄. Nat Commun 17, 4115 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70534-9

Ключевые слова: квантовая память, твёрдотельные спины, ионы редкоземельных элементов, оптическая когерентность, квантовые сети